賴春林

摘 要：紅外線氣體分析儀具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、操作簡單等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各大企業(yè)的煙氣污染物排放檢測領(lǐng)域，為企業(yè)和環(huán)保部門制定決策提供科學(xué)的依據(jù)。本文主要圍繞紅外線氣體分析儀的測量原理、測量方式、技術(shù)及其應(yīng)用進行闡述，希望能為讀者提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：紅外線；NDIR；煙氣；監(jiān)測

0 引言

工業(yè)發(fā)展帶來經(jīng)濟騰飛的同時，也給環(huán)境帶來極大的負(fù)擔(dān)。環(huán)境污染，尤其是大氣污染程度不斷加深，嚴(yán)重影響了人們的正常生活和身體健康。固定污染源煙氣的排放是大氣污染氣體的主要來源之一，研發(fā)具有實時性、智能化、穩(wěn)定性好、可靠性高且操作簡單的煙氣監(jiān)測系統(tǒng)，對于我國煙氣自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，控制煙氣中污染物質(zhì)的排放具有實際意義。

1 紅外線氣體分析儀在煙氣自動檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 測量原理 我國當(dāng)前使用的氣體分析儀器在監(jiān)測范圍、測量精度、組分分析方面，存在較大的局限性，而新型的非分散紅外線（NDIR）技術(shù)，則能實現(xiàn)對多組分煙氣濃度的檢測，該技術(shù)檢測原理為氣體紅外吸收，在測量過程中無需消耗物質(zhì)，因此具有使用壽命長、穩(wěn)定性好、選擇性強、測量范圍廣、高精準(zhǔn)度，具有廣泛的推廣意義。

煙氣中的主要成分為硫、氮、碳的氧化物，主要以二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）為主，這類氣體在紅外波段有獨特的吸收波，被稱為特征吸收波（表1）。特征吸收波根據(jù)物質(zhì)不同，波形各異，因此可用作鑒別各類物質(zhì)的依據(jù)。而氣體濃度的確定，則是根據(jù)特征吸收光譜對紅外能量的吸收能力進行檢測的。根據(jù)朗伯-比爾吸收定律可知，當(dāng)待測氣體組分有紅外光通過時，氣體分子吸收特定波長的紅外線。

表1 煙氣中各組分特征吸收波

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][氣體

特征吸收波/μm][CO2

4.3][CO

4.65][NO

5.3][H20

3-6][SO2

7.3]

1.2 測量方式 單光束雙波長法中有測量濾光片和參比濾光片，其中測量濾光片是對有特征吸收紅外光譜通過的待測組分進行測量，透過測量氣室的光線強度受煙氣濃度的影響，測量值記為I；而參比濾光片測量組分不吸收通過的紅外光，因此透過測量氣室的光線強度幾乎不受被測組分濃度變化的影響，測量結(jié)果作為參照，記為I0。根據(jù)朗伯-比爾定律，待測氣體吸收光度與其濃度關(guān)系滿足關(guān)系式：-In（I/I0）=LkC，I為測量光強度，I0為參照光強度，L是紅外線經(jīng)過吸收氣體的路徑，k待測氣體的吸收系數(shù)，C為氣體的濃度，單位為mg/m3。

氣體濾波相關(guān)法是將被測氣體填充在氣體濾光池中，代替上述方法中的參比濾光片，利用此法可提高被測氣體組分對特征波的吸收效果。這一測量系統(tǒng)由五部分組成：光源由能斯特?zé)舭l(fā)射紅外光；測量氣室有抽氣孔和充氣孔，為待測氣體組分濃度的穩(wěn)定提供了保障，而高溫伴熱功能，可有效防止水蒸氣和污染物冷凝，造成對測量結(jié)果的干擾；切光輪主要負(fù)責(zé)將光束信號射頻模式化；濾波輪上安裝不同被測氣體的氣體濾光池和測量濾光片，濾波輪和切光輪的旋轉(zhuǎn)動作由無刷直流電動機提供動力，對各組分的測定則由自動化控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令完成測量；光電管前安裝放大器，以提高弱信號接收的可靠性。

被測氣體濾光池和測量濾光片的位置由設(shè)備內(nèi)部處理器控制，一次測量過程可對待測氣體進行多次掃描，以提高信號的信噪比，減少測量誤差。利用微處理器可對各式干擾進行有效處理；使用靠減去干擾組分濃度的方法可對不同待測組分光譜重疊進行有效處理；而校正因子則是用來處理干擾組分對測量組分吸收系數(shù)的影響。

1.3 技術(shù)分析 ①煙氣分析。煙氣分析儀采用的分析技術(shù)為單光束雙波長與氣體濾波相關(guān)技術(shù)的結(jié)合，濾波輪上的氣體濾波池能實現(xiàn)對不同氣體的同時測量，并利用干擾參數(shù)扣除技術(shù)，大大提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，并能實現(xiàn)對一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、甲烷、氨氣以及氯化氫八種氣體的高精度持續(xù)性檢測。如對一氧化碳的測量范圍可達4000mg/m3，精度可達到0.1%。②信號放大電路。信號放大電路利用CMOS工藝制成的斬波穩(wěn)零結(jié)合多級放大模式，主要組成部件有多路開關(guān)和儀表放大器。信號放大電路增益高、響應(yīng)快，輸入偏置電流小等優(yōu)點，能有效減少誤差，還具有自動調(diào)零的功能，增加了測量的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。③煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)。煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成包括了多種學(xué)科，如智能采樣技術(shù)、數(shù)字濾波算法技術(shù)、軟件自動識別補償輕微污染技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布技術(shù)、光功率軟件修正技術(shù)以及多線程布控技術(shù)等。該系統(tǒng)具有的功能也較為完善，目前已經(jīng)實現(xiàn)的功能主要有定量測量功能、自動校零、異常報警、遠(yuǎn)程傳輸、報表生成等各項功能。

1.4 應(yīng)用 ①對煙氣監(jiān)測及管理。紅外線氣體分析儀主要利用嵌入式軟件，完成對污染源氣態(tài)污染物的監(jiān)控職能，并為相關(guān)部門提供檢查對象的瞬時值和歷史記錄，當(dāng)污染源超標(biāo)時，還可利用自動報警功能對相關(guān)部門發(fā)出警示。該系統(tǒng)對污染源進行的連續(xù)性測量，可為環(huán)保部門提供電子政務(wù)和辦公自動化所需的基本材料，為部門制定環(huán)保政策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。嵌入式軟件在信號處理方面具有較強的靈活性，可對不同變量和濃度范圍的氣體進行測量；取樣方面更加智能化，與算法相結(jié)合，可剔除異常測量值，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確率。②技術(shù)指標(biāo)。該套設(shè)備所能達到的技術(shù)指標(biāo)如下：零點漂移可控制在±2.5%范圍內(nèi)（F.S/3d或7d），量程漂移不超過±2.5%，線性誤差在±5.0%以內(nèi)，響應(yīng)時間不超過200s，重復(fù)性低于0.5%，輸出波動低于0.4%，可對電源、標(biāo)定、分析儀故障發(fā)出警報輸出。對各氣體的測量量程分別可達到SO2為4000、NO2為1000、NO為2500、CO為2500，檢測下線為10（單位：mg/m3）。

2 結(jié)束語

隨著社會的不斷進步，人們對環(huán)境問題越來越重視，傳統(tǒng)的經(jīng)濟發(fā)展模式對環(huán)境的損害較大，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要，加大節(jié)能減排力度，減少環(huán)境污染是當(dāng)前企業(yè)面臨的重要任務(wù)。就目前技術(shù)發(fā)展水平而言，我國還無法完全消除煙氣等污染物的來源，但可通過先進的檢測技術(shù)，對煙氣排放中污染組分進行實時檢測，為企業(yè)和環(huán)保部門制定有效的環(huán)保措施提供依據(jù)。紅外氣體分析儀相對于傳統(tǒng)的分析儀器，具有檢測范圍大、精準(zhǔn)度高、能對多組分進行同時檢測的優(yōu)點，因此可廣泛應(yīng)用于煙氣在線監(jiān)測領(lǐng)域。

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